Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium

In this paper the reflection of ultra-short pulse electromagnetic waves on inhomogeneous dielectric matter
 determined by dielectric susceptibility ε ( z ) is discussed. Coefficient of reflection is obtained. Frequency dispersion
 is neglected. Ultra-short pulse waves are considered...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Вопросы атомной науки и техники
Дата:2004
Автор: Karachevtsev, Y.M.
Формат: Стаття
Мова:Англійська
Опубліковано: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2004
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79323
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric mediumе / Y.M. Karachevtsev // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 36-38. — Бібліогр.: 2 назв. — англ.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860076568854921216
author Karachevtsev, Y.M.
author_facet Karachevtsev, Y.M.
citation_txt Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric mediumе / Y.M. Karachevtsev // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 36-38. — Бібліогр.: 2 назв. — англ.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description In this paper the reflection of ultra-short pulse electromagnetic waves on inhomogeneous dielectric matter
 determined by dielectric susceptibility ε ( z ) is discussed. Coefficient of reflection is obtained. Frequency dispersion
 is neglected. Ultra-short pulse waves are considered as a row of Lugger polynoms. У роботі розглянуто відбиття відеоімпульсів від неоднорідного діелектричного середовища із
 діелектричною проникністю ε ( z) .Частотна дисперсія не враховується. Для відеоімпульсу використовується
 розклад в ряд за функціями Лаггера. Знайдено коефіцієнти відбиття. В работе рассмотрено отражение видеоимпульсов от неоднородной диэлектрической среды с
 диэлектрической проницаемостью ε ( z) . Частотная дисперсия не учитывается. Для видеоимпульса
 используется разложение в ряд по функциям Лаггера. Найдены коэффициенты отражения.
first_indexed 2025-12-07T17:14:01Z
format Article
fulltext REFLECTION OF ELECTROMAGNETIC ULTRA-SHORT PULSE ON NON-UNIFORM DIELECTRIC MEDIUM Y.M. Karachevtsev Kharkiv National University, Kharkov, 61108, Ukraine In this paper the reflection of ultra-short pulse electromagnetic waves on inhomogeneous dielectric matter determined by dielectric susceptibility ( )zε is discussed. Coefficient of reflection is obtained. Frequency dispersion is neglected. Ultra-short pulse waves are considered as a row of Lugger polynoms. PACS: 52.40.Mj INTRODUCTION The problem of carrying out researches related to the propagation of monochromatic and, particularly, ultra- short pulse (few-cycle) electromagnetic waves in non- uniform medium is very topical because we have to consider this problem in geophysics, optics of semiconductors and polymers, physics of laboratory and cosmic plasma in the first case and in electrodynamics of ultra-short (transient) pulse electromagnetic waves in the latter case. Exact solutions of Maxwell equations for the profile of dielectric permeability ( ) 2 2 2 2 1 12 0 1 −     ++= z L sz L snzε and reflection coefficients of ultra-short pulse waves are obtained in this paper. 1. THE MODEL AND BASIC EQUATIONS Paper [1] deals with the common (universal) approach used while studying propagation of planar monochromatic waves in non-uniform dielectric media. Paper [2] concerns the propagation of ultra-short pulse waves in non-uniform dielectric media. By using the approach stated in [1], let us consider propagation of a planar electromagnetic wave in non-uniform, non- magnetic dielectrics determined by the dielectric permeability ε depending on the coordinate z. Suppose that dependence )z(ε is as follows: ( ) ( )zUnz 22 0=ε , (1.1) where 0n - refraction index in the neighborhood of the dielectric medium boundary 0=z ; )z(U - dimensionless function determining spatial distribution of the dielectric permeability. ( ) 10 ==zzU . (1.2) Let us write Maxwell equations for the continuous medium: t B c Erot ∂ ∂   1−= , (1.3) t D c Hrot ∂ ∂   1= . (1.4) Suppose that ( ) xxeEzD  ε= , yyeHB  = and, by using equations (1.3), (1.4) we can obtain: t H cz E yx ∂ ∂ ∂ ∂ 1−= , (1.5) ( ) t E c zUn z H xy ∂ ∂ ∂ ∂ 22 0=− . (1.6) Taking into account the fact that the vector-potential A  determines the electric and magnetic components of the electromagnetic field by equations (1.7) and (1.8) t A c E ∂ ∂   1−= , (1.7) ArotH  = , (1.8) where ( ) xxx et,zAeAA  ψ0== in our case, we obtain ( ) 02 2 2 22 0 2 2 =− tc zUn z ∂ ψ∂ ∂ ψ∂ . (1.9) Let us use new functions F and Q, and variable η in order to simplify equation (1.9). ( ) ( )zUt,F 2 1− = ηψ , (1.10) ( ) ( )zUzQ 1−= , (1.11) ( ) 1 0 1 dzzU z ∫=η . (1.12) Equation (1.9) gives in this case Fp t F c nF 2 2 2 2 2 0 2 2 =− ∂ ∂ ∂ η ∂ , (1.13) where 2 22 2 2 1 4 1 z QQ z Qp ∂ ∂ ∂ ∂ −    = . (1.14) Let us make an assumption that constp = in order to determine the profile U. By substituting infinite series ∑ ∞ − ∞=i i i zd in (1.14), we can deduce that ( ) 2 2 2 2111 L/zsL/zsQ ++= , (1.15) ( ) 2 22 2 1 2 1 2 4 L/sL/sp −= , (1.16) where 101 ±= ,s ; 102 ±= ,s . (1.17) 2. PROPAGATION OF ULTRA-SHORT PULSE Using new variables (2.1) 1 0 −= ctnτ , pηβ = , pτυ = , (2.1) equation (1.13) can be written as FFF =− 2 2 2 2 ∂ ν ∂ ∂ β ∂ . (2.2) ___________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.36-38.36 This is the Klein-Gordon equation. Equation (2.2), exact non-periodic solutions describing non-stationary electromagnetic waves propagating in non-uniform dielectrics from boundary 0=β ( 0=η , 0=z ) into its depth are determined by the formulae as follows: ( )∑= q qq ,faF υβ , (2.3) ( ) ( ) ( )[ ]υβζυβζυβ ,,,f qqq 11 +− −= , (2.4) ( )    −    + −= 222 βυ βυ βνυβζ q q q J, , (2.5) where qJ - Bessel function. It is evidently that ( )112 1 +− −= qq q ζζ ∂ υ ∂ ζ , (2.6) ( )112 1 +− +−= qq q ζζ ∂ β ∂ ζ . (2.7) Thus, the potential of the electromagnetic field is equal to ( ) ( ) ( )∑ ==== q qx ,fzUAzFUAAA υβψ 2 1 0 2 1 00 ( ) ( )[ ]∑ +− −= q qqq p,pazUA 11 2 1 02 1 ζτηζ . (2.8) Electrical and magnetic components are as follows: ( )∑−= q qqx eazU n pAE 2 1 0 0 , (2.9) ( )∑−= q qqy hazU n pAH 2 1 0 0 , (2.10) where ( )[ ]22 2 4 1 +− +−= qqqq p,pe ζζτηζ , (2.11) ( ) ( )[ ]{ −−= +− 2204 1 qqq p,pzUnh ζτηζ ( ) ( ) [ ]    − ∂ ∂− +− 11 1 qqz zU zpU ζζ . (2.12) Variable η can be deduced by using formula (1.11). It is equal, for instance, to ( )11 21 2 2 2 00 21 1 1012 2 L/zs yzL arth y L s,s,p + + + = − <> > η , (2.13) 12 2 10 00 2 1 2 2 − = >> <> y L y,s s,pη ( )11 21 2 21 1 L/zs yzL arth + −− , (2.14) where y denotes the expression ( )12 2L/Ly = . Electrical and magnetic components calculated in the boundary under consideration ( 00 ==zη , ( ) 10 ==zzU ) are equal to ( ) ( )∑−= q qqx ea n pAE 0 0 00 , ( ) ( )∑−= q qqy ha n pAH 0 0 00 , (2.15) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]pJpJpJe qqqq τττ 22 0 2 4 1 +− +−= , (2.16) ( ) ( ) ( )[ ]{ −−= +− pJpJnh qqq ττ 220 0 4 1 ( )[ ]}11 1 1 1 1 +− −− −− qq JpJLps τ (2.17) Let us consider the ultra-short pulse electrical component to be determined by the series expansion on Lugger functions ( )xLm . ( ) ( )∑ ∞ = = 0m mm xLbxE , (2.18) where ( ) ( ) ( )[ ]m m m m xxexp dx d !m /xexpxL −= 2 , ( ) 0 1 t/zctx −−= , 0t - parameter. It is known that ( ) ( )∫ ∞ = 0 mnnm dxxLxL δ , ( )20 /xexpL −= , ( ) 01 1 LxL −= , ( ) 0 2 2 221 L/xxL +−= . Let ( ) ( )xFEtE min= , where ( ) ( )[ ]2+−= mmm LxLBxF         += ∑ ∞ = 1 12 k k k xCBx . Let us consider wave ( ) ( )xFEtE in 0= , where ( ) ( ) ( )[ ]xLxLBxF 200 −= , falling from the vacuum onto the dielectric medium. It is necessary ( )0 xE and ( )0 yH to be written by using a series expansion on Lugger functions in order to obtain reflection coefficients because we are going to equalize wave harmonics by using continuity conditions. ( ) ( )∑ ∞ = ′−= 0 1 0 00 m mmx xLT n pAE , ( ) ( )∑ ∞ = ′−= 0 2 0 00 m mmy xLT n pAH , (2.19) ( )∑ ∞ = = 3 1 q mqqm PaT α , ( )∑ ∞ = = 3 2 q mqqm QaT α , (2.20) ( ) ( ) ( ) ( )∫ ∞ ′′′= 0 0 xdxexLP qmmq αα , (2.21) ( ) ( ) ( ) ( )∫ ∞ ′′′= 0 0 xdxhxLQ qmmq αα , (2.22) where 0t/tx =′ , pcnt 1 00 −=α . By using the continuity conditions we get the infinite set of equations. It is as follows for the electrical component: ( ) 10 1 0001 TpnARBEin −−=+ , 11 1 001 TpnABREin −−= , ( ) 12 1 0021 TpnARBEin −−=+− , and so on. (2.23) In general, the set is written as: ( ) mmmin TpnARlBE 1 1 00 −−=+ , ( ) mmmin TpnARlBE 2 1 00 −−=− , (2.24) ___________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SIENCE AND TECHNOLOGY. 2004. № 2. Series: Nuclear Physics Investigations (43), p.36-38.37 where 10 ±= ,lm . From here, the desired reflection coefficients are determined by (2.25). ( ) ( ) ( )mmmmmm T/T/T/TlR 1212 11 +−=α . (2.25) Coefficients qa can be calculated by using the infinite set of algebraic equations (2.24). CONCLUSIONS Coefficient of reflection of electromagnetic pulse waves determined by (2.18) on the boundary between vacuum and non-uniform dielectric medium described by spatial distribution of dielectric permeability (1.1), (1.11), (1.15), (1.17) is obtained. The approach used in [1] in order to solve exactly Maxwell equations is generalized while deducing reflection coefficients (2.25). The author is grateful to Prof. Karas V.I. for the problem stated and for the fruitful and interesting discussions while considering the problem. REFERENCES 1. A.B. Shvartsburg. Dispersia electromagnitnykh voln v sloistykh I nestatsionarnykh sredakh (tochno reshaemye modeli) // Uspekhi fizicheskikh nauk. 2000, v.170, №12. p.1297-1324 (in Russian). 2. A.B. Shvartsburg. Videoimpul`sy I nepereodicheskie volny v dispergiruyushchikh sredakh (tochno reshaemye modeli) // Uspekhi fizicheskikh nauk. 1998, v.168, №1. p.85-103. ОТРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА ОТ НЕОДНОРОДНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЫ Я.Н. Карачевцев В работе рассмотрено отражение видеоимпульсов от неоднородной диэлектрической среды с диэлектрической проницаемостью ( )zε . Частотная дисперсия не учитывается. Для видеоимпульса используется разложение в ряд по функциям Лаггера. Найдены коэффициенты отражения. ВІДБИТТЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ІМПУЛЬСУ ВІД НЕОДНОРІДНОГО ДІЕЛЕКТРИЧНОГО СЕРЕДОВИЩА Я.М. Карачевцев У роботі розглянуто відбиття відеоімпульсів від неоднорідного діелектричного середовища із діелектричною проникністю ( )zε .Частотна дисперсія не враховується. Для відеоімпульсу використовується розклад в ряд за функціями Лаггера. Знайдено коефіцієнти відбиття. 38 ConclusionS ДІЕЛЕКТРИЧНОГО СЕРЕДОВИЩА
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79323
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language English
last_indexed 2025-12-07T17:14:01Z
publishDate 2004
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Karachevtsev, Y.M.
2015-03-31T08:54:57Z
2015-03-31T08:54:57Z
2004
Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric mediumе / Y.M. Karachevtsev // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 2. — С. 36-38. — Бібліогр.: 2 назв. — англ.
1562-6016
PACS: 52.40.Mj
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79323
In this paper the reflection of ultra-short pulse electromagnetic waves on inhomogeneous dielectric matter&#xd; determined by dielectric susceptibility ε ( z ) is discussed. Coefficient of reflection is obtained. Frequency dispersion&#xd; is neglected. Ultra-short pulse waves are considered as a row of Lugger polynoms.
У роботі розглянуто відбиття відеоімпульсів від неоднорідного діелектричного середовища із&#xd; діелектричною проникністю ε ( z) .Частотна дисперсія не враховується. Для відеоімпульсу використовується&#xd; розклад в ряд за функціями Лаггера. Знайдено коефіцієнти відбиття.
В работе рассмотрено отражение видеоимпульсов от неоднородной диэлектрической среды с&#xd; диэлектрической проницаемостью ε ( z) . Частотная дисперсия не учитывается. Для видеоимпульса&#xd; используется разложение в ряд по функциям Лаггера. Найдены коэффициенты отражения.
The author is grateful to Prof. Karas V.I. for the&#xd; problem stated and for the fruitful and interesting&#xd; discussions while considering the problem.
en
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Новые и нестандартные ускорительные технологии
Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
Відбиття електромагнітного імпульсу від неоднорідного діелектричного середовища
Отражение электромагнитного импульса от неоднородной диэлектрической среды
Article
published earlier
spellingShingle Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
Karachevtsev, Y.M.
Новые и нестандартные ускорительные технологии
title Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
title_alt Відбиття електромагнітного імпульсу від неоднорідного діелектричного середовища
Отражение электромагнитного импульса от неоднородной диэлектрической среды
title_full Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
title_fullStr Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
title_full_unstemmed Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
title_short Reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
title_sort reflection of electromagnetic ultra-short pulse on non-uniform dielectric medium
topic Новые и нестандартные ускорительные технологии
topic_facet Новые и нестандартные ускорительные технологии
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79323
work_keys_str_mv AT karachevtsevym reflectionofelectromagneticultrashortpulseonnonuniformdielectricmedium
AT karachevtsevym vídbittâelektromagnítnogoímpulʹsuvídneodnorídnogodíelektričnogoseredoviŝa
AT karachevtsevym otraženieélektromagnitnogoimpulʹsaotneodnorodnoidiélektričeskoisredy